Comment les capteurs MEMS changent pour les applications automobiles

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L’industrie automobile est en pleine mutation. Nos véhicules s’électrifient, se connectent et s’automatisent. Cette tendance s’accélérant, elle a un impact sur la façon dont les dispositifs à semi-conducteurs, notamment les capteurs à système microélectromécanique (MEMS), sont conçus et qualifiés pour l’automobile. Alors que les concepteurs de semi-conducteurs automobiles examinent attentivement la définition du produit, sa validation et sa fiabilité à long terme, les fournisseurs de capteurs MEMS répondent aux nouvelles opportunités créées par les véhicules électrifiés et automatisés en développant des unités de mesure inertielle (IMU) pour la conduite automatisée ainsi que des capteurs de surveillance de la pression de la batterie pour les batteries Li-ion des VE.

 

Le dispositif MEMS le plus complexe de tous

L’IMU MEMS automobile est probablement le dispositif MEMS le plus complexe qui sera utilisé à l’intérieur d’un véhicule. Ce type d’IMU est un système dans un boîtier (SiP) composé de plusieurs éléments de détection gyroscope et accéléromètre plus un ASIC de traitement du signal, intégrés dans un seul boîtier qui crée un capteur inertiel capable de mesurer jusqu’à six degrés de liberté (6DoF) : lacet, roulis et tangage pour les mouvements de rotation, et accélération latérale, longitudinale et verticale pour les mouvements linéaires.

 

Pour les véhicules dotés d’une autonomie de niveau 3 et plus (selon la définition de la SAE), l’IMU est obligatoire pour prendre en charge le contrôle de la trajectoire du véhicule au cas où d’autres capteurs, tels que la caméra, le radar ou le LiDAR, seraient défaillants. Si une telle défaillance se produit, l’IMU fonctionnera comme un capteur de guidage pour amener la voiture à un arrêt sûr dans un court laps de temps et sur une courte distance. L’IMU est également utilisé pour contrôler le mouvement régulier de la voiture lors de la conduite en mode automatisé.

 

Bien que la technologie IMU existe déjà pour les applications aérospatiales, son adaptation à l’automobile présente des défis importants. L’IMU automobile nécessite des performances élevées à des coûts compatibles avec l’industrie automobile. Les cycles de vie des véhicules étant longs, les fournisseurs de capteurs MEMS doivent produire le dispositif en grande quantité pendant une période prolongée. Ils doivent également garantir les performances et la fiabilité du capteur sur une durée de vie de 10 à 15 ans, sans qu’aucune maintenance ou recalibrage du capteur ne soit nécessaire. Seuls quelques fournisseurs de MEMS ont la capacité et la volonté de s’engager dans ce type de parcours.

 

L’électrification crée de nouvelles applications pour les capteurs MEMS

La conversion des moteurs à combustion interne à la propulsion électrifiée va affecter le marché des MEMS pour groupes motopropulseurs. Par exemple, les capteurs de pression utilisés dans la gestion du moteur pour la pression de l’air et du carburant vont tout simplement disparaître avec l’électrification. Cependant, l’utilisation de grandes batteries Li-ion dans les véhicules électrifiés a créé une nouvelle application pour les capteurs MEMS.

 

Les effets d’emballement thermique comprennent les explosions, les pièces volantes, les flammes, la ventilation et l’augmentation rapide de la température. 

L’un des risques connus des batteries Li-ion est la faible probabilité pour une cellule de batterie de se retrouver dans une situation d’emballement thermique qui conduira à un incendie. Plusieurs incidents ont déjà été signalés. En cas d’emballement thermique, chaque seconde compte. Détecter l’événement le plus tôt possible permet au système de sécurité du véhicule de prendre toutes les mesures nécessaires pour avertir les occupants de l’imminence d’un incendie et d’activer des contre-mesures opportunes (par exemple, déclencher un extincteur et appeler les pompiers) pour atténuer l’impact de l’incendie.

 

Des études publiées ont montré que la mesure de la pression à l’intérieur du bloc-batterie est une bonne indication du début d’un emballement thermique. Le dégazage d’une cellule de batterie, plus une augmentation soudaine de la température, augmentera la pression à l’intérieur du pack de batteries, ce qui générera une impulsion de pression.

Pour détecter une telle impulsion de pression, un capteur de pression MEMS doit mesurer en permanence la pression à l’intérieur du pack. Il doit également signaler au système de gestion de la batterie toute variation suspecte de la pression, indépendamment des variations de la pression atmosphérique. Il est important de garder ce type de capteur allumé en permanence pour détecter toute anomalie de pression dans le système, même lorsque le véhicule est complètement arrêté. NXP a développé un capteur de pression pour répondre spécifiquement à cette nouvelle application de sécurité dans les VE, et plusieurs constructeurs automobiles utilisent déjà cette solution.